登上《细胞》封面！我国成功破解这一世界性难题
RNA聚合酶被形象地称为细胞里的CPU，调控着遗传信息DNA转录为RNA的全过程。迄今，人类发现三域（细菌域、古生菌域、真核生物域）生物共有9类RNA聚合酶，其中结构最大、最复杂的“叶绿体RNA聚合酶”一直未能被成功解析出来，是几十年来科学界的一大待解之谜。如今，我国科学家成功解开了这一谜团。3月1日，国际顶级学术期刊 《细胞》（Cell）的封面是一张“叶绿体RNA聚合酶”的构造图，该期封面文章为“植物叶绿体编码的RNA聚合酶冷冻电镜结构”，由中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队和华中农业大学周菲研究团队合作完成。该研究解析了叶绿体基因转录机器的冷冻电镜结构，揭示了叶绿体基因转录机器的“装配部件”“装配模式”和“功能模块”。
国际顶刊《Cell》封面刊登该研究成果
张余研究员介绍，叶绿体中的光合作用将光能转化为化学能，为地球生命提供了能量和氧气，是地球环境的重要塑造者。15亿年前，原核蓝细菌被真核细胞所吞并，最终演化为如今的植物叶绿体。在此过程中，蓝细菌基因组基因不断被转移至细胞核，最终形成了“小而精”的叶绿体基因组，但是转录叶绿体基因组的机器却一点都不简单。它在原核蓝细菌基因转录机器的基础上，装配了多个独特的功能模块，进而其“身形”变为原来的2.5倍，其“装配部件”数量变为原来的3倍。然而这些模块在原核蓝细菌中却基本没有任何“原型”，大多数“借”于真核细胞。多年研究表明，叶绿体基因转录机器控制叶绿体的发育过程以及成熟叶绿体的基因表达，在调控植物光合作用中发挥关键角色，但叶绿体基因转录机器的构造依然未知。
2016年，张余研究团队开始向这一世界难题发起挑战。“叶绿体RNA聚合酶是植物细胞特有的CPU，调控着80%的叶绿体基因，负责叶绿体的发育和其功能发挥。如果能解析出叶绿体RNA聚合酶的构造，无疑将打开叶绿体基因转录领域的大门。”张余带着对大自然的好奇和刨根问底的精神，坚持了8年的探索。他说之所以能坚持下来，得益于分子植物科学卓越创新中心多年来营造的让青年人才潜心啃硬骨头的氛围。
叶绿体基因转录蛋白质机器构造
研究团队首先利用叶绿体转化技术构建了叶绿体转基因烟草，随后通过亲和纯化的方式获得完整的叶绿体基因转录蛋白质复合物，最终利用单颗粒冷冻电镜技术成功解析了叶绿体基因转录机器构造。与原核蓝细菌基因转录机器相比，叶绿体基因转录机器一共具有20个“装配部件”（蛋白亚基），组成了催化模块、支架模块、保护模块、RNA模块和调控模块等5个功能模块，其中催化模块由叶绿体基因组编码，其蛋白亚基起源于蓝细菌。其他模块由细胞核基因组编码，其大部分蛋白亚基起源于真核细胞，在细胞质翻译后运输至叶绿体完成组装。这些原核和真核起源的蛋白亚基组成了目前已知最复杂的基因转录机器。
蓝细菌来源的催化模块包含6个蛋白亚基，其位于复合物的核心层；支架模块包含7个蛋白亚基，它们一方面稳定催化模块，另一方面提供其他模块的结合位点；保护模块包括2个亚基，它们具有超氧化物歧化酶的功能，使其免受叶绿体中超氧化物的氧化攻击；RNA模块包括1个亚基，能够序列特异性结合RNA，推测可能参与转录关联的RNA加工过程； 调控模块包括4个亚基，推测它们参与基因转录机器的活性调控。
张余研究员在实验室查看样品
中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心主任韩斌认为，在基础研究层面，该研究为进一步探索叶绿体基因转录机器的工作模式、理解叶绿体的基因表达调控方式以及改造叶绿体基因表达调控网络打下了基础。该研究为光合作用系统基因表达水平的提高提供了新思路，有望找到提高植物光合作用的效率、增加碳汇。此外，在合成生物学应用层面，该研究为植物叶绿体生物反应器的效率提升提供了着手点，助力重组疫苗、重组蛋白药物、和天然产物的生产。
（文中图片均为中国科学院分子植物科学卓越创新中心提供）